DE19929185A1

DE19929185A1 - Vorrichtung und Verfahren zur energie- und winkelaufgelösten Elektronenspektroskopie

Info

Publication number: DE19929185A1
Application number: DE19929185A
Authority: DE
Inventors: Philippe Staib
Original assignee: Staib Instrumente GmbH
Current assignee: Staib Instrumente GmbH
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2001-01-04
Also published as: DE50014031D1; EP1063676A3; EP1063676B1; US6492644B1; JP4620221B2; JP2001035434A; EP1063676A2

Abstract

Zur Abbildung eines Teilchenstrahls (108) aus geladenen Teilchen mit einer bestimmten Energie- und Winkelverteilung auf einer Detektoreinrichtung (140) mit einer Vorrichtung (100), die eine Ablenkeinrichtung (120) mit mindestens einer Abbremslinse (121-124), die dazu vorgesehen ist, im Teilchenstrahl (108) im wesentlichen parallele Teilchenbahnen (109) auszubilden, deren gegenseitige Abstände der Winkelverteilung der Teilchen entsprechen, und eine Filtereinrichtung (130) umfaßt, die zwischen der Ablenkeinrichtung (120) und der Detektoreinrichtung (140) angeordnet ist, wobei die Filtereinrichtung (130) mit einem Potential zur Bildung eines Abbremsfeldes beaufschlagbar und dazu eingerichtet ist, für die Teilchen energieselektiv durchlässig zu sein, ist probenseitig vor der Ablenkeinrichtung (120) ein Eintrittsfenster (111) in Form einer axialsymmetrischen Stufenblende oder eines Eintrittsgitters angeordnet, das von der Ablenkeinrichtung (120) elektrisch getrennt ist und auf Massepotential liegt.

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Abbil dung eines aus geladenen Teilchen mit einer bestimmten Ener gie- und Winkelverteilung bestehenden Teilchenstrahls auf einen Detektor, und ein Spektrometer, insbesondere für Elek tronenbeugungsmessungen, mit Energie- und Winkelauflösung.

Bei der Bestrahlung einer Materialprobe mit elektromagneti scher Strahlung oder geladenen Teilchen kann es durch Wechsel wirkungsvorgänge in der Probe zur Abstrahlung geladener Teil chen kommen, deren Raum- (oder Winkel-) und Energieverteilung Rückschlüsse auf physikalische oder chemische Vorgänge bei der Wechselwirkung oder auf Merkmale der beteiligten Teilchensor ten oder des Wechselwirkungsbereiches zulassen. Auf dieser Grundlage wurden zahlreiche Analyseverfahren, z. B. unter Ver wendung von Elektronenbeugungsuntersuchungen oder spektrosko pischen Untersuchungen, realisiert.

Ein Problem der bekannten Analyseverfahren ist die gleichzei tige Erfassung der Winkel- und der Energieverteilung eines Teilchenstrahls (z. B. aus Elektronen, Ionen oder Tonengruppen, Atomen oder Atomgruppen). Beispielsweise besteht bei der Un tersuchung der Reflexion hochenergetischer Elektronen an einer Probe (RHEED-Verfahren) ein Interesse an energiegefiltert auf genommenen Beugungsbildern, um elastische und unelastische Streuvorgänge voneinander zu trennen. Die Modellierung der rein elastischen Streuungen erlaubt eine verbesserte Struktur auflösung.

In DE-OS 197 01 192 werden herkömmliche Systeme zur simultanen Orts- und Energieauflösung bei der Elektronenbeugungsuntersu chung erläutert. Bei einer ersten Bauform wird ein Rasterme chanismus implementiert, der eine Abtastung von Ausschnitten des Beugungsbildes und deren Energieanalyse erlaubt, jedoch störanfällig und zeitaufwendig ist, so daß insbesondere Echt zeitanalysen, z. B. zur Beobachtung von Oberflächenveränderun gen an Festkörpern, nur eingeschränkt oder gar nicht möglich sind. Eine echte simultane Energie- und Winkelauflösung wird erst mit einer zweiten Bauform erreicht, bei der ein Beugungs bild durch Filterpaare oder -tripel (allgemein: Gruppen von Filterelektroden) beobachtet wird. Zwischen den Filterelektro den werden vorbestimmte Abbremsfelder ausgebildet, die bei spielsweise von elastisch gestreute Elektronen durchlaufen werden und die inelastisch gestreuten Elektronen reflektieren.

Zur Realisierung der zweiten Bauform werden beispielsweise von Y. Horio in "Jpn. J. Appl. Phys.", Bd. 35, 1996, S. 3559 ff., Filterelektroden in Form von Kugelgittern beschrieben, die je doch wegen des zwangsläufig kleinen Arbeitsabstandes, der ge ringen Energieauflösung und einer Anfälligkeit gegenüber Ver unreinigungen nachteilig sind. Demgegenüber wurde gemäß DE-OS 197 01 192 (s. Fig. 16) eine Verbesserung durch die Ver wendung von Filterelektroden in Form ebener Gitterelektroden 3, 4 und die Kombination derartiger Filterelektroden mit einer Ablenkeinrichtung 1 zur Ausbildung paralleler Elektronenstrah len erzielt, deren gegenseitige Abstände der Winkelverteilung der Elektronen entsprechen und die auf die Filterelektroden gerichtet sind. Mit dieser Kombination paralleler Elektronen bahnen mit ebenen Filterelektroden können zwar die obengenann ten Nachteile der Technik nach Y. Horio in Bezug auf den Ar beitsabstand des Detektors 2 von der Probe, die Empfindlich keit und die Robustheit der Abbildungseinrichtung überwunden werden. Für Meßaufgaben mit extremen Anforderungen kann die Abbildungsqualität (hochauflösende Elektronenbeugung), bei denen beispielsweise der Abstand von Beugungsmaxima mit hoher Genauigkeit gemessen werden muß, treten jedoch auch bei der Technik mit den ebenen Filterelektroden einschränkende Bild fehler auf.

Die Bildfehler bei der herkömmlichen energieselektiven Abbil dung werden insbesondere durch eine inhomogene Streuwinkelfo kussierung und durch störende Moire-Muster an den gitterförmi gen Filterelektroden 3, 4 verursacht. Die beschränkte Qualität der Streuwinkelfokussierung führt dazu, daß insbesondere bei größeren Streuwinkeln der Zusammenhang zwischen den Abständen der parallelen Teilstrahlen und der Winkelverteilung der ge streuten Elektronen nicht mehr linear ist. Je nach Anwendungs fall wird dadurch die Bildgröße und/oder die Auflösung der Ab bildung beschränkt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Vorrichtungen und Verfahren zur winkel- und energieauflösenden Abbildung eines Teilchenstrahls anzugeben, die sich durch eine erhöhte Abbildungsqualität, insbesondere durch erweiterte Streulicht bilder und/oder höhere Auflösungen bei der Abbildung, aus zeichnen. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung, ein ent sprechend ausgestattetes Spektrometer und Verfahren zu dessen Betrieb und Verwendung anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung, ein Spektrometer und ein Verfahren mit den Merkmalen der Gegenstände von Patentanspruch 1 bzw. 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsfor men der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Ein erster wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung besteht in der Ausstattung einer Abbildungseinrichtung zur energie- und winkelselektiven Abbildung geladener Teilchen, z. B. Elektro nen, mit einer vorgeschalteten Eintrittsblende oder einem vor geschalteten, sich quer zum Teilchenstrahl erstreckenden Ein trittsgitter. Das Eintrittsgitter ist von der Ablenkeinrich tung elektrisch getrennt und liegt vorzugsweise aus Massepo tential. Es dient der Begrenzung des probenseitig aus der Ab lenkeinrichtung austretenden elektrischen Feldes und erlaubt eine bessere Randstrahllenkung. Die Randstrahllenkung bedeu tet, daß die Linearität des Zusammenhangs zwischen Streuwin keln und Abständen der parallelisierten Teilchenbahnen auch bei größeren Streuwinkeln hin zur Bildberandung gewährleistet ist. Gemäß einer ersten Gestaltungsform ist das Eintrittsgit ter ein im wesentlichen ebenes, auf der Achse der Ablenkein richtung senkrecht stehendes Gitter, das vorzugsweise für die Abbildung größerer Streuwinkelbereiche von bis zu +/- 10° aus gelegt ist. Kommt es hingegen anwendungsabhängig mehr auf die höchste Linearität (minimalste Verzerrung) bei der Abbildung an, so wird gemäß einer zweiten Gestaltungsform des Eintritts gitters dieses als Kugelgitter ausgebildet. Als Kugelgitter besitzt das Eintrittsgitter die Form eines Kugeloberflächen ausschnitts mit einem zugehörigen vorbestimmten Kugelradius.

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur energie- und win kelaufgelösten Abbildung eines Strahls geladener Teilchen auf eine Detektoreinrichtung auf der Basis der obengenannten Kom bination aus einer Ablenkeinrichtung zur Erzeugung paralleler und abgebremster Teilchenstrahlen und einer Filtereinrichtung dahingehend weiter zu entwickeln, daß die Filtereinrichtung aus einem einzigen, in Bezug auf die parallelen Teilchenstrah len senkrecht ausgerichteten Filtergitter besteht. Dies bedeu tet, daß zwischen der Ablenkeinrichtung und der Detektorein richtung lediglich eine, sich quer zu den Teilchenstrahlen er streckende Filtergitter-Elektrode angeordnet ist und der Raum zwischen der Ablenkeinrichtung und der Detektoreinrichtung im übrigen frei von weiteren strahlformenden Elektroden ist. Das Filtergitter bildet bei Zusammenwirkung mit der Ablenkeinrich tung einen Gegenfeldanalysator, der beispielsweise bei Elek tronenbeugungsuntersuchungen der Filterung inelastisch ge streuter Elektronen dient.

Der Übergang von einer Gruppe von Filterelektroden zu einem einzelnen Filtergitter stellt insbesondere in Zusammenwirkung mit dem vorgeschalteten Eintrittsgitter einen wichtigen Vor teil sowohl in Bezug auf die Vereinfachung des Gesamtaufbaus als auch in Bezug auf die Abbildungsqualität dar. Es wurde vom Erfinder überraschenderweise festgestellt, daß sich mit dem Filtergitter die gleiche hochempfindliche Energieselektivität wie bei der herkömmlichen Abbildungsvorrichtung erreichen läßt, wobei jedoch keine Moire-Muster entstehen und damit die Bildqualität verbessert wird.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Spektrometer, insbeson dere ein Elektronenbeugungs- oder Elektronendiffraktions- Spektrometer, das mit der oben beschriebenen Abbildungsein richtung ausgestattet ist. Bevorzugte Anwendungen eines derar tigen Spektrometers liegen bei Elektronendiffraktionsuntersu chungen bei allen üblichen Energien (LEED, MEED, HEED, ent sprechend Low-, Medium-, High-Energy-Electron Diffraction), bei energie- und winkelaufgelösten Ionenstreuungsuntersuchun gen, bei der Strukturanalyse durch elastische Streuung und inelastische Diffusion (z. B. auf der Basis von Kikushi-Linien) oder bei der winkelaufgelösten Elektronenspektroskopie. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung ist jedoch nicht auf die Verwendung in einem einfachen Beugungsspektrome ter beschränkt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch als elektronischer Spiegel für die sogenannte "Time-of- Flight"-Spektroskopie verwendet werden.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Abbil dung eines Teilchenstrahls aus geladenen Teilchen mit einer bestimmten Energie- und Winkelverteilung auf einer Detek toreinrichtung, bei dem die Teilchen mit einer Ablenkeinrich tung zu parallelen und abgebremsten Teilchenstrahlen oder -bahnen geformt und auf ein Filtergitter gerichtet werden, das im Zusammenwirken mit der Ablenkeinrichtung energieselektiv Teilchen mit einer Energie oberhalb einer bestimmten Grenz energie zu einem Detektor durchläßt und Teilchen mit geringe ren Energie reflektiert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungs form der Erfindung durchlaufen die Teilchen vor Eintritt in die Ablenkeinrichtung einen probenseitigen feldfreien Raum, der mit einem ebenen oder kugelausschnittsförmigen Eintritts gitter von der Ablenkeinrichtung abgeschirmt ist.

Die Erfindung bietet die Vorteile einer äußerst guten Energie auflösung, die beispielsweise bei 10 keV Elektronenenergie rd. 2 eV beträgt. Ferner werden die Abbildungseigenschaften gegen über herkömmlichen Vorrichtungen erheblich verbessert, was sich insbesondere in einer Reduzierung der Verzeichnung bei der Abbildung von Beugungsmaxima äußert. Weitere Vorteile er geben sich aus dem einfachen Aufbau der erfindungsgemäßen Ab bildungsvorrichtung, der Verzerrungsfreiheit der Abbildung (verbesserte Streuwinkelfokussierung) und der Erweiterung der Abbildungsdimensionen (Vergrößerung der auswertbar abbildbaren Streuwinkel).

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im fol genden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrie ben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Abbildungsvorrichtung in schematischer Schnittansicht,

Fig. 2 eine Illustration der Vorrichtung gemäß Fig. 1 bei vollständiger Reflektion der Teilchen strahlen,

Fig. 3 eine Illustration der Fokussierungseigen schaften der Vorrichtung gemäß Fig. 1 bei verschiedenen Streuwinkeln,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Abbildungsvorrichtung mit einem ebenen Eintrittsgitter in schematischer Schnittansicht,

Fig. 5 eine Illustration der Vorrichtung gemäß Fig. 4 bei vollständiger Reflektion der Teilchen strahlen,

Fig. 6 eine Illustration der Fokussierungseigen schaften der Vorrichtung gemäß Fig. 5 bei verschiedenen Streuwinkeln,

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Abbildungsvorrichtung mit einem kugel förmig gekrümmten Eintrittsgitter in schemati scher Schnittansicht,

Fig. 8 eine Illustration der Fokussierungseigen schaften der Vorrichtung gemäß Fig. 7 bei verschiedenen Streuwinkeln,

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Abbildungsvorrichtung mit einem kugel förmig gekrümmten Eintrittsgitter in schemati scher Schnittansicht,

Fig. 10 eine Illustration der Vorrichtung gemäß Fig. 9 bei vollständiger Reflektion der Teilchen strahlen,

Fig. 11 eine Illustration der Fokussierungseigen schaften der Vorrichtung gemäß Fig. 9 bei verschiedenen Streuwinkeln,

Fig. 12 eine Kurvendarstellung zur Illustration der Verzeichnung als Funktion des Streuwinkels für die in den Fig. 1 bis 11 illustrierten Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 13 eine Illustration der Energiefilterung eines Beugungsbildes,

Fig. 14 eine Kurvendarstellung zur Illustration einer Energieverlustmessung an einer Siliziumprobe,

Fig. 15 eine schematische Übersichtsdarstellung einer RHEED-Apparatur, die mit einem erfindungs gemäßen Spektrometer ausgestattet ist, und

Fig. 16 eine Schnittansicht einer herkömmlichen Abbil dungsvorrichtung für Elektronenstrahlen (Stand der Technik).

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft unter Bezug auf eine Vorrichtung zur Abbildung von Elektronenstrahlen mit einer bestimmten Energie- und Winkelverteilung beschrieben, ist jedoch nicht auf die Abbildung von Elektronen beschränkt, sondern auch bei der Abbildung anderer geladener Teilchen ent sprechend anwendbar.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen in schematischer Schnittansicht eine erfindungsgemäße Abbildungsvorrichtung 100 zur energie- und winkelauflösenden Abbildung eines Elektronenstrahls 108, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen lediglich die in einem Gehäuse 101 untergebrachten Abbildungsstufen gezeigt sind. Die Abbil dungsstufen umfassen im einzelnen einen Eintrittsbereich 110, eine Ablenkeinrichtung 120, eine Filtereinrichtung 130 und eine Detektoreinrichtung 140. Das Gehäuse 101 in Form eines geraden Kreiszylinders enthält ferner Halterungsmittel zur An bringung der genannten Komponenten im Gehäuseinneren, elektri sche Anschlußeinrichtungen zur Beaufschlagung der Komponenten mit den gewünschten Steuerspannung und zur Abnahme von Bildsi gnalen von der Detektoreinrichtung 140 und äußere Halterungen zur Anbringung des Gehäuses 101 beispielsweise an einem Spek trometer. Diese Teile sind jedoch an sich bekannt und daher im einzelnen nicht illustriert. Die geometrischen Dimensionen der Abbildungsvorrichtung 100 werden anwendungsabhängig gewählt und liegen beispielsweise im Bereich von rd. 5 cm bis 15 cm für den Gehäusedurchmesser und dem 0.5 bis 1.5-fachen Gehäuse durchmesser für die axiale Länge der Abbildungsstufen. Die optische Achse der Vorrichtung 100 fällt mit der Zylinderachse des Gehäuses 101 zusammen.

Der Eintrittsbereich 110 wird bei der dargestellten Ausfüh rungsform der Erfindung durch ein Eintrittsfenster 111 in Form einer stufenförmigen Blende gebildet. Das Eintrittsfenster 111 liegt vorzugsweise auf Massepotential, so daß probenseitig vor der Abbildungsvorrichtung 100 ein feldfreier Raum gebildet wird, und dient der Ausblendung von Anteilen des Elektronen strahls 108 mit großen Streuwinkeln. Es ist beispielsweise eine Ausblendung von Streuwinkeln oberhalb von +/- 6° vorgese hen. Der stufenförmige Aufbau des Eintrittsfensters 111 umfaßt ein axialsymmetrisch angebrachtes Ringblendenteil 111a, ein sich axial erstreckendes, zylinderförmiges Teil 111b und ein an dessen probenseitigen Ende angebrachtes weiteres Ringblen denteil 111c. Der stufenförmige Aufbau erlaubt einen teilwei sen Ausgriff der elektrischen Felder der Ablenkeinrichtung 120 auf deren Probenseite.

Die Ablenkeinrichtung 120 umfaßt bei der dargestellten Ausfüh rungsform vier Abbremslinsen 121, 122, 123 und 124. Alternativ können aber auch weniger (mindestens eine) oder mehr Abbrems linsen vorgesehen sein. Die Abbremslinsen sind axialsymme trisch auf der Innenseite des Gehäuses 101 angebracht und vorzugsweise als Blechringe ausgebildet. Die Dimensionierung und Ansteuerung der Abbremslinsen 121-124 wird anwendungsab hängig gewählt. Es sind entweder für jede Abbremslinse eine separate Anschlußeinrichtung zur Beaufschlagung mit einer variablen Steuerspannung oder für alle Abbremslinsen eine ge meinsame Anschlußeinrichtung und feste Teilerstufen zur Ein stellung der Steuerspannungen an den einzelnen Abbremslinsen vorgesehen.

In der Filtereinrichtung 130 ist ausschließlich ein Filtergit ter 131 vorgesehen, das im Inneren des Gehäuses 101 zwischen der in Richtung des einfallenden Elektronenstrahls 108 letzten Abbremslinse 124 und der Detektoreinrichtung 140 angebracht ist. Das Filtergitter 131 ist ein ebenes Gitternetz, das sich senkrecht zur Gehäuseachse über den gesamten, durch das Ein trittsfenster 111 und die Abbremslinsen 121-124 gebildeten Einfallsbereich des Elektronenstrahls 108 erstreckt. Das Gitternetz besitzt vorzugsweise eine hohe Transmission von rd. T = 90% und wird durch ein rechteckiges oder schiefwinkliges Streifen- oder Drahtgitter gebildet.

Die Detektoreinrichtung 140 umfaßt einen Leuchtschirm 141, der mit geeigneten Sensormitteln (nicht dargestellt) zusammen wirkt. Die Sensormittel können eine CCD-Kamera, eine Photo diode und/oder einen Elektronenvervielfacher umfassen. Der Leuchtschirm 141 ist zur Vermeidung von elektrischen Aufladun gen vorzugsweise mit einem elektrisch leitenden Material auf gebaut. Für sehr empfindliche Messungen mit geringen Strömen kann der Leuchtschirm 141 auch durch einen Channel-Plate- Elektronenvervielfacher ersetzt werden, hinter dem dann ein angepaßter Leuchtschirm angebracht ist.

Im Betriebszustand tritt ein von der schematisch am linken Bildrand in Fig. 1 illustrierten Probe 102 ausgehender Elek tronenstrahl 108 durch das Eintrittsfenster 111 in die Ablenkeinrichtung 120 ein. Der Elektronenstrahl 108 ist ein Bündel von Elektronen, die nach Streuung an der Probenober fläche divergente Teilchenbahnen bilden. In der Darstellung sind die Bahnen durch Linien gezeigt, die jeweils eine Abstu fung im Streuwinkel von 1° pro Linie besitzen. Der von dem Eintrittsfenster 111 durchgelassene Ausschnitt der Winkelver teilung für Streuwinkel unterhalb +/- 6° bildet eine Elektro nenstromverteilung durch eine auf der Gehäsueachse senkrecht stehende Bezugsebene. Die Elektronen bewegen sich unter dem Einfluß der von den Abbremslinsen 121-124 ausgehenden elektri schen Feldern in Richtung des Pfeiles A, wobei ein Elektronen strahl 109 mit im wesentlichen parallelen, geraden Teilchen bahnen geformt wird. Dabei werden die Elektronen durch in Strahlrichtung steigende Gegenpotentiale der Abbremslinsen ab gebremst. Der Elektronenstrahl 109 bildet eine der ursprüng lichen Winkelverteilung entsprechenden Elektronenstromvertei lung durch eine Bezugsebene senkrecht zur Bewegungsrichtung A, wobei für große Streuwinkel große Abstände von der Gehäuse achse und für geringe Streuwinkel geringere Abstände von der Gehäuseachse ausgebildet werden.

Die Abbremslinsen erfüllen somit eine Doppelfunktion. Einer seits werden die genannten parallelen Teilchenbahnen (soge nanntes "paralleles Beugungsbild") ausgebildet. Andererseits werden die Elektronen abgebremst, wobei die Abbremsung vor zugsweise so stark ist, daß die Elektronen beim Durchtritt durch die letzte Abbremslinse 124 eine möglichst geringe Energie besitzen. Damit wird eine verbesserte Energieauflösung am Filtergitter 131 erzielt. Es wird beispielsweise eine Abbremsung um rd. 90% angestrebt, wodurch eine rd. 10-fache Verbesserung der Energieauflösung erzielt wird.

Die stationären Potentiale, mit denen die Abbremslinsen 121-124 beaufschlagt werden, können auf der Grundlage der Elek trostatik (z. B. zur Feldverteilung einzelner Linsen) in Abhän gigkeit von der konkreten Bauform und der erforderlichen Ge nauigkeit berechnet oder durch geeignete numerische Simu lationen ermittelt werden. Als Eingangsgrößen für die Simu lationen dienen insbesondere die Forderungen, daß die Teil chenbahnen nach Durchtritt durch die Ablenkeinrichtung 140 parallel und stark abgebremst verlaufen sollen. Zur Paralle lisierung wird beispielsweise eine Divergenz der Teilchenbah nen von weniger als 0.5° als Simulationsbedingung berücksich tigt. Eine weitere Bedingung besteht in der Einstellung einer linearen Winkelabweichung. Dies bedeutet, daß der lineare Zu sammenhang zwischen dem Streuwinkel und dem Abstand der jewei ligen Teilchenbahn von der Zylinderachse auch bei großen Streuwinkeln erhalten bleiben soll. Dadurch wird der als Kissenverformung bezeichnete Abbildungsfehler minimiert. Die Ermittlung der Potentiale der Abbremslinsen durch Berechnung oder numerische Simulation erfolgt auch bei den unten erläu terten, abgewandelten Ausführungsformen der Erfindung.

Nach Durchtritt durch die Abbremslinse 123 treffen die Elek tronen auf das Filtergitter 131, das mit einer Potentialdiffe renz (Filter-Abbremspotential) gegenüber der Abbremslinse 124 zur Bildung eines Abbremsfeldes derart beaufschlagt ist, daß Elektronen mit einer Energie unterhalb einer vorbestimmten Grenzenergie im Teilchenstrahl reflektiert (s. Pfeil B) und nur Teilchen mit einer höheren Energie zur Detektoreinrichtung 140 durchgelassen werden. Die erreichbare Empfindlichkeit der Energieselektivität ist von der Bauform des Filtergitters 131 und den Betriebsparametern, insbesondere der Stärke des Ab bremsfeldes und der Größe der Gitteröffnungen (Maschengröße), abhängig. Zur Erzielung einer hohen Abbildungsqualität werden am Filtergitter 131 Gitteröffnungen der Größenordnung 300 µm oder geringer bevorzugt.

Die Elektronen mit einer genügend hohen Energie treten durch die Gitteröffnungen des Filtergitters 131 hindurch und treffen auf den Leuchtschirm 141. Es kann vorgesehen sein, daß zwi schen dem Leuchtschirm 141 und dem Filtergitter 131 ein Be schleunigungspotential ausgebildet ist.

Beispielwerte für die Potentiale der Abbremslinsen 121-124 sind jeweils entsprechend -6 kV, -9 kV, -9.4 kV und -10 kV. Das Feldgitter 131 liegt auf einem Potential von -7 kV.

Die in den Fig. 1 und 2 eingezeichneten Elektronenbahnen illustrieren die Filterwirkung der erfindungsgemäßen Abbil dungseinrichtung 100. Bei der Darstellung gemäß Fig. 1 besit zen die Elektronen des Elektronenstrahls eine Energie von 10001 eV. Abgesehen von den Teilstrahlen mit hohen Streuwin keln (+/- 6°), die nicht zu einer fehlerfreien Abbildung bei tragen und daher am Filtergitter 131 reflektiert werden, tre ten sämtliche Elektronen durch das Filtergitter 131 zum Leuchtschirm 141 durch. Besitzen die Elektronen jedoch gemäß Fig. 2 lediglich eine Energie von 9999 eV, so werden alle Elektronen am Filtergitter 131 reflektiert und in die Abbil dungsvorrichtung zurückgerichtet. Die Fig. 1 und 2 illustrie ren die hervorragende Energieauflösung von rd. 2 eV bei einer Elektronenenergie von rd. 10 keV.

Die Fig. 3 illustriert einen weiteren Vorteil der Erfindung, nämlich die hervorragende Streuwinkelfokussierung, bei ver schiedenen Streuwinkeln des Elektronenstrahls von 0° bzw. 5°. Bei einer Elektronenstrahlausdehnung δx am Probenort wird bei spielsweise eine Ausdehnung auf dem Leuchtschirm 141 mit einer Dimension im Bereich von δx/5 bis δx/10 erzielt.

Ein besonderer Vorteil des Filtergitters 131 besteht in der fokussierenden Wirkung der Maschen oder Gitteröffnungen. Durch einen geringfügigen Feldurchgriff durch die Maschen bilden diese jeweils eine kleine elektrooptische Linse. Dieser Fokus sierungseffekt wird jedoch nur bei Elektronenenergien von rd. 2 bis 6 eV, d. h. für die bereits abgebremsten, langsamen Elek tronen.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung. Die Abbildungseinrichtung 100 ist, abgesehen von den Eigenschaften des Eintrittsbereiches 110, im wesentlichen identisch wie die Abbildungsvorrichtung 100 gemäß den Fig. 1 bis 3 aufgebaut. Für die gleichen Komponenten werden daher die gleichen Bezugszeichen verwendet.

Gemäß Fig. 4 ist im Eintrittsbereich 110 ein im wesentlichen ebenes Eintrittsgitter 112 vorgesehen, das sich senkrecht zur Achse des zylinderförmigen Gehäuses 101 erstreckt. Das Ein trittsgitter 112 liegt auf Massepotential, so daß probenseitig vor der Abbildungsvorrichtung 100 ein feldfreier Raum gebildet wird. Das Eintrittsgitter 112 erstreckt sich über den gesamten Einfallsbereich des Elektronenstrahls 108 und ist vorzugsweise wie das Filtergitter 131 als rechteckiges oder schiefwinkliges Streifen- und Drahtnetz ausgebildet. Die geometrische Dimen sionierung des Eintrittsgitters 112 wird anwendungsabhängig gewählt. Beispielsweise ergibt sich bei einer großen Maschen weite von rd. 300 µm eine hohe Transmission von rd. 90%, so daß auch schwache Reflexe von der Probe abgebildet werden kön nen. Dadurch wird jedoch die Auflösung der Abbildung be schränkt. Bei kleineren Maschenweiten von bis zu rd. 50 µm ist die Transmission mit rd. 60% geringer, wobei jedoch die Auflö sung der Abbildung sich verbessert.

Das Eintrittsgitter 112 wird vorzugsweise als elektrolytisch geätzte Platte hergestellt. Die Platte ist im wesentlichen eben, so daß das Eintrittsgitter 112 Abweichungen von einer ebenen Ausrichtung von weniger als 1/10 mm über der gesamten Gitterfläche aufweist.

Die Fig. 4 und 5 zeigen analog zu den Fig. 1 und 2 die hohe Energieselektivität der erfindungsgemäßen Abbildungsvorrich tung 100. Elektronen, die von einer mit einer Spannung von -300 V vorgespannten Probe ausgehen, werden mit einer Energie von 10001 eV vom Filtergitter 131 durchgelassen (s. Fig. 4) bzw. mit einer Energie von 9999 eV vom Filtergitter 131 re flektiert (s. Fig. 5).

Fig. 6 illustriert analog zu Fig. 3 die verbesserte Streuwin kelfokussierung an der erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung 100 für einen Elektronenstrahl mit Streuwinkeln von 0° bzw. 3°. Neben dieser Verbesserung der Abbildungsqualität besteht der Vorteil der Ausführungsform gemäß Fig. 4 in dem erweiter ten Winkelbereich bei der Elektronenabbildung. Es können Streuwinkel von bis zu +/- 10° mit hervorragenden Fokussie rungseigenschaften abgebildet werden.

Beispielwerte für die Potentiale der Abbremslinsen 121-124 bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 4 bis 6 sind jeweils ent sprechend -5,5 kV, -7,5 kV, -8,85 kV und -10 kV. Das Filter gitter 131 liegt wiederum bei einem Potential von -7 kV.

Die Fig. 7 bis 11 illustrieren weitere Abwandlungen einer er findungsgemäßen Abbildungsvorrichtung 100, bei denen im Ein trittsbereich 110 jeweils ein Kugeleintrittsgitter 113 mit einem geringen Kugelradius für geringere Winkelbereiche (Fig. 7, 8) oder einem größeren Kugelradius für große Winkelbereiche von bis zu +/- 23° (Fig. 9 bis 11) vorgesehen ist. Das Kugel gitter 113 besteht jeweils wie das Eintrittsgitter 112 bei der oben erläuterten Ausführungsform aus einem Gitternetz mit ei ner anwendungsabhängig gewählten Maschenweite. Es erstreckt sich auf einer Kugeloberfläche mit einem anwendungsabhängig gewählten Kugelradius im Bereich von rd. 50 mm bis 150 mm. Das Kugeleintrittsgitter 113 ist in Bezug auf die optische Achse der Abbildungsvorrichtung 100 axialsymmetrisch angebracht. Der Gitterrand ist über eine ringförmige, in einer senkrecht zur optischen Achse ausgerichteten Bezugsebene liegende Halterung 116 mit dem Gehäuseinneren verbunden. Der senkrechte Abstand der Halterung 116 von der Probe 102 entspricht vorzugsweise dem drei- bis vierfachen Wert des Radius des Kugeleintritts gitters 113, kann aber auch geringer sein. Vorteilhafterweise besteht keine empfindliche Abhängigkeit der Abbildungseigen schaften der Abbildungsvorrichtung 100 vom Probenabstand, so daß dieser anwendungsabhängig variieren kann.

Das auf Massepotential liegende Kugeleintrittsgitter 113 bil det probenseitig einen feldfreien Raum und definiert eine er ste Äquipotentialfläche der ersten Abbremslinse 121 des Ab lenkbereiches 120.

Beispielwerte für die Potentiale der Abbremslinsen 121-124 sind jeweils entsprechend -4 kV, -5 kV, -8,6 kV und -10 kV (Fig. 7) bzw. -3 kV, -7 kV, -8,8 kV und -10 kV (Fig. 9). Die Filtergitter 131 liegen in beiden Fällen bei einem Potential von -7 kV.

Ein Kugeleintrittsgitter wird wie folgt hergestellt. Ein Git ternetz, wie es beispielsweise auch zur Bildung eines ebenen Filtergitters aus einer Platte oder Folie geätzt wird, wird auf eine kugelförmige Form gespannt und auf dieser beispiels weise durch eine Beschichtung versteift. Anschließend wird das nunmehr sich auf einer Kugeloberfläche erstreckende Gitternetz am Rand mit einer geeigneten Halterung zur Anbringung im Ge häuse versehen.

Der Vorteil der Anbringung des Kugeleintrittsgitter 115 be steht in der weiteren Verbesserung der Linearität der Abbil dung bei hohen Streuwinkeln. Die Verzerrung wird minimiert und die Streulichtfokussierung wird verbessert. Dies ist in den Fig. 8 bzw. 11 illustriert. Des weiteren wird die Energie selektivität verbessert. So zeigt Fig. 9 den Hindurchtritt von Elektronen mit einer Energie von 10006 eV durch das Filtergit ter 131. Bei der entsprechenden Abbildung von Elektronen mit einer geringeren Energie von z. B. 10004 eV werden diese am Filtergitter 131 reflektiert (Fig. 10).

Fig. 12 illustriert die hohe Qualität der Abbildung von Elek tronenstrahlen auch bei großen Streuwinkeln. Es ist die Abhän gigkeit der Verzeichnung vom Streuwinkel dargestellt. Die mit Version 1 bis Version 4 bezeichneten Kurvenverläufe entspre chen den oben erläuterten Ausführungsformen gemäß den Fig. 1, 4, 7 bzw. 9. Die dargestellten Verzeichnungswerte sind mit gattungsgemäßen Abbildungsvorrichtungen nicht erzielbar.

Bei Elektronenbeugungsuntersuchungen kann erfindungsgemäß zum streifenden Einfall der Elektronenbestrahlung übergegangen werden, so daß sich ein Bestrahlungsfleck in Form einer Ellip se ergibt, die eine Querdimension im Bereich von 300 µm bis 1 mm und eine 5- bis 10-fach größere Längsdimension besitzt. Durch die hervorragende Streuwinkelfokussierung werden alle von einem derartigen Beleuchtungsfleck ausgehenden, parallelen Strahlen auf einen Punkt fokussiert, der wegen der damit er zielten Spot-Schärfe in seiner Lage genau vermessen werden kann.

In Fig. 13 ist mit einer Bildfolge die Energiefilterung mit einer erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung bei der Untersu chung der Elektronenbeugung an einer Siliziumprobe darge stellt. Die (111)-Oberfläche der Siliziumprobe wird unter Ein stellung einer Strahlspannung von V_p = 15000 V bestrahlt und der gebeugte Elektronenstrahl mit Streuwinkeln von +/- 10° er faßt. Dies entspricht einem Gesamtgesichtsfeld von 20°. Die vier Einzelbilder zeigen das Beugungsbild bei verschiedenen Abbremspotentialen des Filtergitters 131 (s. oben). Im einzel nen wurden Abbremspotentiale von jeweils entsprechend V_p - 300 V, V_p - 15 V, V_p - 2 V und V_p eingestellt. Die Energie filterung liefert nicht nur eine saubere Trennung der Streure flexe von Hintergrundstrahlen, sondern auch die Möglichkeit einer genaueren Auswertung der Positionen der Streureflexe.

Fig. 14 illustriert eine mit einer erfindungsgemäßen Abbil dungsvorrichtung durchgeführte Energieverlustmessung bei der Streuung von Elektronen an der (111)-Oberfläche von Silizium bei einer Temperatur von T = 585°C. Es ist die Abhängigkeit des vom Detektor für einen bestimmten Reflex gelieferten Detektorsignals (willkürliche Einheiten) von der Energie der gestreuten Elektronen. Durch die Variation des Abbremspoten tials des Filtergitters 131 gegenüber dem Ablenkbereich 120 kann der Streuanteil für die verschiedenen Energiebereiche aufgenommen werden. Die Kurve x1 zeigt einen elastischen Streupeak mit einer Halbwertsbreite von 3.4 eV. Im Bereich inelastischer Streuungen (Kurve x5) können Anteile von Ober flächenplasmonen (a), Volumenplasmonen (b) und Mehrfachstreu verlusten (c) identifiziert werden.

Eine erfindungsgemäße Abbildungsvorrichtung wird vorzugsweise an einem Diffraktionsspektrometer angebracht, das schematisch in Übersichtsdarstellung in Fig. 15 illustriert ist. Fig. 15 zeigt eine RHEED-Apparatur mit einer RHEED-Elektronen strahlquelle 350, einem erfindungsgemäßen Spektrometer 300, Steuerungselementen 360 und einer Datenverarbeitungseinheit 370. Die Elektronenstrahlquelle 350 ist in an sich bekannter Weise aufgebaut und zur Bestrahlung der Probe 320 vorgesehen. Das gestreute Elektronenbündel wird vom Spektrometer 300 er faßt, in dem eine Abbildungsvorrichtung gemäß einer der oben erläuterten Ausführungsformen vorgesehen ist. Der Leuchtschirm (hier mit dem Bezugszeichen 315) wird über zwei Meßkanäle si multan beobachtet. Ein Strahlteiler 331 liefert ein Teilbild an eine Bilderfassung mit einem zweidimensionalen Detektor (z. B. einer CCD-Kamera 330) und ein Teilbild an einen schnell ansprechenden, dynamischen Sensor 332 zur Erfassung eines in tegralen Bildsignals, das die Leuchtdichte des gesamten Beu gungsbildes repräsentiert.

Die Steuerungselemente 360 umfassen eine Versorgungseinheit 361 der Elektronenstrahlquelle 350, eine Ablenkeinheit 362 für die Elektronenstrahlquelle 350, eine Spektrometersteuereinheit 360, ein Lock-in-System 364 und einen Stromverstärker 365. Die Datenverarbeitungseinheit 370, die vorzugsweise durch eine Computersteuerung implementiert wird, umfaßt eine Schaltung 371 zur Bereitstellung der Steuersignale für die Versorgungs einheit 361, eine Schaltung 372 zur Vorgabe von Bestrahlungs parametern, eine Schaltung 373 zur Lieferung von Spektrometer steuersignalen, eine Schaltung 374 zur Lock-in-Datenaufnahme, eine Schaltung 375 zur Steuerung von Wachstumsvorgängen mit tels einer (nicht dargestellten) MBE-Apparatus und eine Schal tung 376 zur Bildverarbeitung und -anzeige.

Weitere Einzelheiten des Spektrometeraufbaus gemäß Fig. 15 sind an sich aus DE-OS 197 01 192 bekannt, die hiermit in Be zug auf Einzelheiten des Spektrometers und der Elektrodenan steuerung bei der Elektronenabbildung vollständig in die vor liegende Beschreibung einbezogen wird.

Die erfindungsgemäße energie- und winkelselektive Abbildung geladener Teilchen kann wie folgt modifiziert werden. Abwei chend vom oben erläuterten kompakten Aufbau der Abbildungsvor richtung können in axialer Richtung bzw. Strahlrichtung ver längerte Bauformen realisiert werden, falls beispielsweise die Probe aufgrund ihrer Temperatur oder zur Vermeidung von Verun reinigungen möglichst weit vom Detektor entfernt sein soll. Ferner können innerhalb des Gehäuses zusätzlich Auffangelek troden zur Aufnahme reflektierter oder vom Filtergitter 131 weggelenkter Teile des Elektronenstrahls 108 vorgesehen sein, die die Elektronen, die nicht abgebildet werden sollen, absau gen. Schließlich kann eine erfindungsgemäße Abbildungsvorrich tung mit einer Einrichtung zur Verschiebung des Bildaus schnitts versehen sein, wie sie DE-OS 197 01 192 bekannt ist. Eine derartige Einrichtung wird beispielsweise durch eine Ab lenk- und Justierspule gebildet und besitzt den Vorteil, daß eine Bildausschnittswahl computergesteuert erfolgen kann, ohne daß eine Verschlechterung des Vakuums im Probenraum erfolgt.

Claims

1. Vorrichtung zur Abbildung eines Teilchenstrahls (108), der geladene Teilchen mit einer bestimmten Energie- und Winkelver teilung umfaßt, auf einer Detektoreinrichtung (140), wobei die Vorrichtung (100) eine Ablenkeinrichtung (120) mit mindestens einer Abbremslinse (121-124), die dazu vorgesehen ist, im Teilchenstrahl (108) im wesentlichen parallele Teilchenbahnen (109) auszubilden, deren gegenseitigen Abstände der Winkelver teilung der Teilchen entsprechen, und eine Filtereinrichtung (130) umfaßt, die zwischen der Ablenkeinrichtung (120) und der Detektoreinrichtung (140) angeordnet ist, wobei die Filterein richtung (130) mit einem Potential zur Bildung eines Abbrems feldes beaufschlagbar und dazu eingerichtet ist, für die Teil chen energieselektiv durchlässig zu sein, dadurch gekennzeichnet, daß probenseitig vor der Ablenkeinrichtung (120) ein Eintrittsfen ster (111) in Form einer axialsymmetrischen Stufenblende oder eines Eintrittsgitter (112, 113) angeordnet ist, das von der Ablenkeinrichtung (120) elektrisch getrennt ist und auf Masse potential liegt.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Eintrittsgitter ein ebenes Eintrittsgitter (112) ist, das senkrecht zur opti schen Achse der Vorrichtung (100) angeordnet ist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Eintrittsgitter ein Kugeleintrittsgitter (113) in Gestalt eines Kugeloberflä chenausschnitts mit einem vorbestimmten Kugelradius ist.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der der Probenabstand zwischen einer Probe (102), von der die geladenen Teilchen ausgehen, und dem Kugeleintrittsgitter (113) dem drei- bis vierfachen Betrag des Kugelradius entspricht.

5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Eintrittsgitter (112, 113) Gitteröffnungen mit charakteristi schen Dimensionen besitzt, die kleiner oder gleich 300 µm be tragen.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Filtereinrichtung (130) ein Filtergitter (131) umfaßt und der Raum von der in Strahlrichtung letzten Abbremslinse (124) der Ablenkeinrich tung (120) bis zur Detektoreinrichtung (140) im übrigen frei von Elektroden zur Teilchenstrahlformung ist.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der das Filtergitter (131) so angeordnet ist, daß der Teilchenstrahl (109) mit den parallelen Teilchenbahnen im wesentlichen senkrecht zur Fil tergitterebene verläuft.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der das Filtergitter (131) Maschengrößen mit charakteristischen Dimensionen umfaßt, die kleiner oder gleich 300 µm betragen.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der zwischen der in Strahlrichtung letzten Abbremslinse (124) der Ablenkeinrich tung (120) und dem Filtergitter (131) ein Filter- Abbremspotential anliegt, dessen Betrag eine Grenzenergie be stimmt, wobei Teilchen mit einer Energie oberhalb der Grenze nergie das Filtergitter (131) passieren können.

10. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Detektoreinrichtung (140) einen Abbildungsschirm (141) zur Bildung eines optischen Bildes und Sensormittel zur Erfas sung des optischen Bildes umfaßt.

11. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Abbremspotentiale der Abbremslinsen (121-124) und das Filter-Abbremspotential des Filtergitters (131) für die Abbil dung von Elektronen, Ionen, Ionengruppen oder geladenen Atom- oder Molekülgruppen ausgebildet sind.

12. Spektrometer, das mit einer Abbildungsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgestattet ist.

13. Verfahren zur Abbildung eines Teilchenstrahls, der gelade ne Teilchen mit einer bestimmten Energie- und Winkelverteilung umfaßt, auf einer Detektoreinrichtung (140), wobei der Teil chenstrahl (108) eine Ablenkeinrichtung (120) mit mindestens einer Abbremslinse (121-124) zur Ausbildung im wesentlichen paralleler Teilchenbahnen (109) und eine Filtereinrichtung (130) durchläuft, die für die Teilchen energieselektiv durch lässig ist, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Ablenkeinrichtung (120) eintretenden Teilchen strahl (108) durch ein Eintrittsfenster (111) in Form einer stufenförmigen Blende begrenzt wird oder durch ein probensei tig vor der Ablenkeinrichtung (120) angeordnetes Eintrittsgit ter (112, 113), durch das vor der Ablenkeinrichtung (120) ein feldfreier Raum gebildet wird, hindurchtritt.

14. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem der feldfreie Raum durch ein ebenes oder kugelförmiges Eintrittsgitter (112, 113) begrenzt wird.

15. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem der Teilchenstrahl (108) in der Filtereinrichtung (130) ein Filtergitter (131) durchläuft, das mit einem Abbremspotential gegenüber der in Strahlrichtung letzten Abbremslinse (124) zur Bildung eines Abbremsfeldes in Bezug auf die Ablenkeinrichtung (120) beauf schlagt wird.

16. Verwendung einer Vorrichtung, eines Spektrometers oder eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur energie- und winkelaufgelösten Abbildung von Elektronen, Ionen, Ionengruppen oder geladenen Atom- oder Molekülgruppen, für Elektronendiffraktionsuntersuchungen, zur Strukturanalyse durch Trennung elastischer und inelastischer Streuungen, zur winkelaufgelösten Photo- und Auger-Elektronenspektroskopie und/oder zur Bildung eines elektronischen Spiegels für die "Time-of-Flight"-Spektroskopie.